發(fā)布時(shí)間：2023-09-26 13:21:00
2023年9月22日，《Nature Communications》期刊發(fā)表了題為《High-dimensional topographic organization of visual features in the primate temporal lobe》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）常樂(lè )研究組完成。研究人員結合功能核磁共振、電生理記錄和深度學(xué)習等技術(shù)手段，系統解析了獼猴和人類(lèi)被試高級視覺(jué)區的特征選擇性和拓撲組織規律，為理解視覺(jué)系統的演化和發(fā)育、構建類(lèi)腦的視覺(jué)加工模型提供了重要基礎。
物體識別是人類(lèi)從外界獲取信息的重要一環(huán)。靈長(cháng)類(lèi)負責物體識別的腦區是下顳葉皮層。以往研究表明，靈長(cháng)類(lèi)下顳葉不是一個(gè)均一的結構，而是包括了多個(gè)加工特定物體種類(lèi)或物體特征的子區域，比如加工面孔信息的面孔腦區、加工軀干信息的軀干腦區和加工視覺(jué)場(chǎng)景的場(chǎng)景腦區。前人針對下顳葉皮層的功能分區已經(jīng)做了很多研究，但仍有一些重要問(wèn)題沒(méi)有回答，比如：1）目前的功能分區還不能連續覆蓋整個(gè)下顳葉，并不清楚剩余的腦區有什么功能；2）過(guò)去的工作主要在獼猴或者人類(lèi)被試單獨進(jìn)行，仍不清楚兩個(gè)物種下顳葉皮層的分區是否存在明顯差異。
為了回答這些問(wèn)題，研究人員需要找到一組豐富的視覺(jué)特征對下顳葉皮層的選擇性進(jìn)行系統刻畫(huà)。前人工作顯示深度卷積網(wǎng)絡(luò )的深層單元能很好地解釋下顳葉神經(jīng)元的反應。基于這一發(fā)現，常樂(lè )研究組將網(wǎng)絡(luò )單元對20萬(wàn)張自然圖片的反應降維得到了25個(gè)視覺(jué)特征（圖1a）。利用功能核磁共振實(shí)驗，獲得了獼猴和人類(lèi)被試顳葉皮層不同子區對這25個(gè)特征的選擇性(圖1b）。
圖1（a）特征提取。AlexNet第7層4096個(gè)單元對20萬(wàn)張自然圖片的反應經(jīng)過(guò)ICA降維得到25個(gè)特征。（b）獼猴左側顳葉皮層對25個(gè)特征的選擇性地圖。紅色和藍色分別顯示對特征正向和負向的偏好。（圖注）
常樂(lè )研究組系統比較了功能核磁實(shí)驗獲得的神經(jīng)選擇性和大家熟知的視覺(jué)特征（圖2a），在和前人工作取得聯(lián)系的基礎上，發(fā)現了之前沒(méi)有報道過(guò)的神經(jīng)特征，并定位了編碼該特征的腦區。其后，使用電生理實(shí)驗驗證了核磁實(shí)驗的結果（圖2b-e）。同時(shí)，研究人員也對顳葉皮層特征分布的拓撲組織規律進(jìn)行了系統和定量的探討，發(fā)現獼猴顳葉存在一對方向相互垂直但空間尺度不同的視覺(jué)特征梯度，而這種拓撲組織方式并不能被一類(lèi)近期提出的、用于解釋下顳葉拓撲結構的模型所復現，因此也為這一類(lèi)類(lèi)腦智能的發(fā)展提供了新的約束。另外，針對人類(lèi)被試也進(jìn)行了同樣的核磁實(shí)驗，結果發(fā)現人類(lèi)和獼猴相比，雖然顳葉總體結構相似，但仍在特征選擇性和拓撲組織規律上有較大不同，尤其體現在對無(wú)生命物體的編碼，人類(lèi)編碼明顯更強；而且相比獼猴，人類(lèi)顳葉皮層拓撲組織的規律性更差，獼猴顳葉中相互正交的特征梯度在人類(lèi)大腦并不明顯（圖2f-h）。研究人員推測這兩個(gè)物種間的差異可能是由于人類(lèi)需要識別各種各樣的人造物體和符號——這個(gè)需求擴大了加工無(wú)生命物體的腦區并打亂了原本很有規律的拓撲組織結構。
圖2（a）獼猴顳葉皮層的特征選擇性與21個(gè)已知視覺(jué)特征的關(guān)系。數值越高代表兩者相似性越強。（b）獼猴顳葉未知腦區偏好特征的代表性圖片。Positive為偏好圖片，Negative為不偏好圖片。（c）通過(guò)比較b中兩組圖片定位了一個(gè)腦區，并進(jìn)行電生理記錄，黑線(xiàn)為記錄電極。（d）該區域中一個(gè)神經(jīng)元對兩組圖片的反應。（e）該區域的群體結果（紫線(xiàn)）。作為對照，定位并記錄了一個(gè)對Negative刺激反應更強的腦區，其群體反應如綠線(xiàn)所示。（f）獼猴顳葉偏好三個(gè)重要特征的子腦區以非常規則的方式排布：綠色、藍色條帶交替，兩側為紅色區域。這里三種不同顏色對應了三個(gè)重要特征。（g）人類(lèi)大腦顳葉呈現類(lèi)似排布，但規律性較獼猴差很多。（h）獼猴和人類(lèi)顳葉皮層拓撲組織規律性的定量比較。上圖為特征梯度的方向性，下圖為不同梯度的正交性。兩個(gè)指標都顯示獼猴顳葉的規律性更強。（圖注）
該研究系統刻畫(huà)了靈長(cháng)類(lèi)高級視覺(jué)區的信息表征地圖，為全面理解物體視覺(jué)的神經(jīng)機制奠定了基礎。過(guò)去該領(lǐng)域中對特征選擇性的研究高度定量，使用了各種復雜、先進(jìn)的計算模型；相對而言，對其拓撲組織規律還是定性描述為主，而該工作則用精細、定量的方式對這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，并揭示了不同物種之間（獼猴和人類(lèi)）和不同系統之間（大腦和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )）的差異，為設計具有類(lèi)腦結構的人工智能提供了依據。另外，該研究通過(guò)構建視覺(jué)信息的大腦地圖，也為腦圖譜的研究提供了可靠的功能參考。
博士研究生姚夢(mèng)娜、文彬丞、工程師楊明坡和博士后郭杰斌為該論文的共同第一作者。姜浩舟、馮超和曹逸雷對該論文也做出了重要貢獻。常樂(lè )研究員為該論文的通訊作者。中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所何暉光研究員也參與了課題指導和論文寫(xiě)作。該研究得到了腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心神經(jīng)影像中心的技術(shù)支持。中國科學(xué)院、科技部、自然科學(xué)基金委和上海市資助了該工作。
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